刘利民教授/谷猛教授/孙学良教授， Small：载体中的类吡咯氮位点锚定铂单原子析氢性能和稳定性的新认识- 大数跨境

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刘利民教授/谷猛教授/孙学良教授， Small：载体中的类吡咯氮位点锚定铂单原子析氢性能和稳定性的新认识

科学材料站

2021-02-08

导读：该文章将Pt单原子沉积于具有三种不同N类型的碳纳米管用作Pt单原子ALD的碳载体，详细分析了不同类型氮结构对于Pt单原子氢析出性能的辅助提升作用。

文章信息

载体中类吡咯氮位点锚定铂单原子析氢性能和稳定性的新认识

第一作者：张雷，王琦，司如同

通讯作者：刘利民*，谷猛*，孙学良*

单位：北京航天航空大学，南方科技大学，加拿大西安大略大学

研究背景

电化学氢析出反应（HER）是生产清洁氢能源的有效途径之一。在HER中，虽然铂（Pt）表现出非常优异的活性，然而其高昂的成本和其有限的地球储量，严重制约了其实际应用。

降低Pt成本最直接的途径之一是通过将其尺寸减小至团簇乃至单原子，来提高原子利用效率。在制备Pt单原子催化剂的各种技术中，原子层沉积技术（ALD）能够精确控制单原子或纳米团簇的沉积，得到了广泛关注。

在Pt ALD过程中，Pt原子倾向于与载体的活性位键合。如果键能太弱，Pt原子可能会沿着载体迁移，从而导致簇的形成。因此，载体的选择对于稳定Pt单原子是尤为关键的。此外研究载体中氮原子的不同存在类型的，对于确定载体-金属的协同效应至关重要。

文章简介

近日，来自北京航天航空大学的刘利民教授、南方科技大学的谷猛教授与西安大略大学的孙学良教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“New Insight of Pyrrole-Like Nitrogen for Boosting Hydrogen Evolution Activity and Stability of Pt Single Atoms”的研究文章。

该文章将Pt单原子沉积于具有三种不同N类型的碳纳米管（CNT,NCNT,HNCNT）用作Pt单原子ALD的碳载体，详细分析了不同类型氮结构对于Pt单原子氢析出性能的辅助提升作用。

图1. 单原子Pt催化剂的球差电镜表征。

本文要点

要点一：ALD法制备Pt单原子

作者通过ALD工艺成功在氮掺杂碳纳米管（NCNT和HNCNT）上制备了高质量的Pt单原子。通过电子显微镜和X射线吸收光谱（XAS）仔细研究了Pt单原子在CNT、NCNT和HNCNT上的配位环境。X射线光电子能谱（XPS）结果显示吡咯氮构型含量随着载体中N掺杂量的增加而增加。

要点二：载体的精确结构与氢析出性能的关联

作者发现随着载体中的类吡咯氮位点的增加，Pt催化剂的HER活性也随之提高。与商业Pt/C催化剂相比，在具有更高含量类吡咯类氮的HNCNT上制备的Pt单原子表现出更高的氢析出性能，其质量活性比商品化的Pt/C高47倍，并具有优异的稳定性。

要点三：机理分析

随后通过密度泛函理论（DFT）计算，系统分析了HNCNT上的Pt单原子优异HER性能的机理。在作者之前工作中发现，在HER进程中，每个Pt单个原子最多可以吸附四个H原子，并且在H原子吸附演化的最后一步中，Pt单原子表现出最佳HER性能。进一步的第一原理计算结果表明，H的dyz和s轨道与N的sp3杂化轨道之间的相互作用是Pt单原子催化剂展现优异HER性能的重要原因。

文章链接

New Insight of Pyrrole-Like Nitrogen for Boosting Hydrogen Evolution Activity and Stability of Pt Single Atoms

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/smll.202004453

通讯作者介绍

刘利民教授.

研究方向：凝聚态物理、计算物理、能源材料

2006年获中国科学院金属研究所博士学位，导师叶恒强院士。先后在英国Queen’sUniversity of Belfast（导师：PeijunHu）、德国Fritz-Haber-Institut、英国University CollegeLondon和美国PrincetonUniversity。2011年-2017年在北京计算科学研究中心任特别研究员，国家基金委首届“优青”基金资助。2017.9加入北航物理学院任研究员，博士生导师。2018年获得中英人才项目英国皇家协会牛顿高级学者基金。

课题组主要研究能源材料物理，通过理论计算与实验相结合探索能源材料设计和服役中的基本物理化学问题。

目前以第一作者或通讯作者（含共同第一和共同通讯）在Nat.Energy(1), Nat. Comm.(7), JACS（5）等SCI刊物上发表论文近150篇，其中本人为通讯作者或者第一作者并且期刊影响因子大于10的文章40余篇，7篇文章被ESI选为1%高引用文章,3篇文章被ESI选为0.1%热点引用文章。受Surf. Sci. Reports邀请基于我们的工作撰写题为“Excess electronsin reduced rutile and anatase TiO⁠2”综述。现任Scientific Reports（2015-）和Progress in NatureScience: Materials International（2015-）两个国际期刊编委。

课题组与美国普利斯顿大学RobertoCar(美国科学院院士)、Annabella Selloni（欧洲科学院院士）、英国国家实验室GilbertoTeo(Team Leader)等课题组保持良好合作关系，先后派遣学生进行联合培养（研究组目前有2人在普林斯顿大学访问，1人在英国访问）。2011年回国后先后培养10余名博士和博士后。其中4名毕业后出国深造（2人在美国普林斯顿，1人英国约克大学，1人纽约），其他人在北科大、北京九所、暨南大学、中山大学、上海大学等继续从事科研工作。自2017.9月加入北航以来在影响因子大于10期刊发表论文10余篇。

更多本组文章最新发表信息请参见：

http://www.researcherid.com/rid/A-7051-2010

谷猛教授.

博士，南方科技大学研究员，本科毕业于上海交通大学，博士毕业于美国加州大学戴维斯材料科学与工程专业。先后在美国能源部下属的西北太平洋国家实验室，美国Dow Chemical公司，研究离子电池材料，催化剂，以及开发原位透射电镜技术。共发表英文SCI论文160篇，引用超过10000次，H指数54. 2015年，由于谷教授在电子显微分析方面的突出贡献，被美国电镜协会授予Albert CREWE award奖项。2019年，入选深圳市青年科技奖。

孙学良教授.

加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，加拿大纳米能源材料首席科学家（Tier I），加拿大西安大略大学终身教授。孙教授于1999年在英国曼彻斯特大学获得博士学位，1999-2001于加拿大哥伦比亚大学从事博士后研究，2001-2004在魁北克科学与工程研究院从事助理研究员工作；现任国际能源科学院的副主席，Electrochemical Energy Review（EER）的主编和Frontier of Energy Storage的副主编。

孙院士的主要研究方向是纳米能源结构材料在能源储存和转化，重点从事燃料电池和全固态锂电池，锂离子电池的研究和应用。已发表超过480篇SCI科学论文，被引用次数超过30,000次，H因子=91，其中包括Nat. Energy, Nat. Comm., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Energy Mater., Adv.Funct. Mater., Accounts Chem. Res., Energy Environ. Sci., Nano Energy等高水平杂志；编辑了3本科学著作和发表了16篇科学著作章节，同时获得18个美国专利授权；在国际会议、论坛等做了120多场次的主题和邀请口头报告。孙教授积极与工业界进行合作研究，目前的合作者包括加拿大巴拉德电源系统公司、美国通用汽车公司、加拿大庄信万丰电池公司和中国动力电池创新中心。近10年，孙教授已经获得2000万加元的资助。现在拥有40个成员的研究团队。